Question

19．二甲醚（CH₃OCH₃）是一種應(yīng)用前景廣闊的清潔燃料，以CO和H₂為原料生產(chǎn)二甲醚主要發(fā)生以下三個反應(yīng)：

編號	熱化學(xué)方程式	化學(xué)平衡常數(shù)
①	CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H1=-99kJ•mol-1	K1
②	2CH3OH（g）?CH3OCH3（g）+H2O（g）△H2=-24kJ•mol-1	K2
③	CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H3=-41kJ•mol-1	K3

回答下列問題：
（1）該工藝的總反應(yīng)為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H，該反應(yīng)△H=-263 kJ•mol^-1，化學(xué)平衡常數(shù)K=K₁²•K₂•K₃（用含K₁、K₂、K₃的代數(shù)式表示）；
（2）下列措施中，能提高CH₃OCH₃產(chǎn)率的有AD；
A．分離出二甲醚               B．升高溫度
C．改用高效催化劑             D．增大壓強
（3）工藝中反應(yīng)①和反應(yīng)②分別在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行，無反應(yīng)③發(fā)生．該工藝中反應(yīng)③的發(fā)生提高了CH₃OCH₃的產(chǎn)率，原因是反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率；
（4）以n（H₂）/n（CO）=2 通入1L的反應(yīng)器中，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H，其CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強變化關(guān)系如圖所示．下列說法正確的是CD；
A．該反應(yīng)的△H＞0
B．若在p₂和316℃時反應(yīng)達(dá)到平衡，則CO的轉(zhuǎn)化率小于50%
C．若在p₃和316℃時反應(yīng)達(dá)到平衡，H₂的轉(zhuǎn)化率等于50%
D．若在p₃和316℃時，起始時n（H₂）/n（CO）=3，則達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率大于50%
（5）某溫度下，將8.0mol H₂和4.0mol CO充入容積為2L的密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反應(yīng)達(dá)平衡后測得二甲醚的體積分?jǐn)?shù)為25%，則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2.25．

Answer 1

分析 （1）由蓋斯定律可得，總反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）為方程式①×2+②+③相加所得，故△H=2△H₁+△H₂+△H₃；
化學(xué)平衡常數(shù)K=K₁²•K₂•K₃；
（2）要提高CH₃OCH₃產(chǎn)率，應(yīng)該改變條件使平衡正向移動；
（3）新工藝中反應(yīng)③消耗反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，減小生成物的濃度，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動；
（3）勒夏特列原理：如果改變可逆反應(yīng)的條件（如濃度、壓強、溫度等），化學(xué)平衡就被破壞，并向減弱這種改變的方向移動；
（4）A．升高溫度CO轉(zhuǎn)化率降低，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動；
B．增大壓強平衡正向移動，則CO轉(zhuǎn)化率增大，根據(jù)圖知，壓強P₁＞P₂＞P₃，增大壓強CO轉(zhuǎn)化率增大；
C．當(dāng)反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比等于其計量數(shù)之比時，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等；
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率增大；
（5）可用體積分?jǐn)?shù)求出各物質(zhì)的濃度，然后再利用平衡常數(shù)的公式求出平衡常數(shù)，相同條件下，氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，設(shè)參加反應(yīng)的n（CO）=xmol，
該反應(yīng)中      4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
開始（mol）8.0                 4.0                0                  0
反應(yīng)（mol）2x                 x                  0.5x             0.5x
平衡（mol）8.0-2x           4.0-x            0.5x              0.5x
二甲醚物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}$×100%=25%，
x=3
則平衡時c（H₂）=$\frac{8.0-6.0}{2}$=1mol/L、c（CO）=$\frac{4-3}{2}$=0.5mol/L、c（CH₃OCH₃）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L、c（H₂O）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）{c}^{2}（CO）}$．

解答 解：（1）由蓋斯定律可得，總反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）為方程式①×2+②+③相加所得，故△H=2△H₁+△H₂+△H₃=2×（-99）-24-41=-263 kJ•mol^-1；總反應(yīng)的平衡常數(shù)等于分反應(yīng)的平衡常數(shù)之積，則K=K₁²•K₂•K₃．
故答案為：-263 kJ•mol^-1；K₁²•K₂•K₃；
（2）A．分離出二甲醚，使平衡正向移動，所以能提高二甲醚的產(chǎn)率，故正確；
B．升高溫度，平衡逆向移動，降低二甲醚的產(chǎn)率，故錯誤；
C．改用高效催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，不影響平衡移動，不改變二甲醚產(chǎn)率，故錯誤；
D．增大壓強平衡正向移動，提高二甲醚產(chǎn)率，故正確；
故答案為：AD；
（3）（4）反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率，
故答案為：反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率；
（4）A．升高溫度CO轉(zhuǎn)化率降低，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動，則該反應(yīng)△H＜0，故A錯誤；
B．增大壓強平衡正向移動，則CO轉(zhuǎn)化率增大，根據(jù)圖知，壓強P₁＞P₂＞P₃，增大壓強CO轉(zhuǎn)化率增大，CO轉(zhuǎn)化率應(yīng)該大于50%，故B錯誤；
C．當(dāng)反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比等于其計量數(shù)之比時，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等，所以若在p₃和316℃時反應(yīng)達(dá)到平衡，H₂的轉(zhuǎn)化率等于50%，故C正確；
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率增大，所以CO轉(zhuǎn)化率大于50%，故D正確；
故答案為：CD；
（5）相同條件下，氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，設(shè)參加反應(yīng)的n（CO）=xmol，
該反應(yīng)中 4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
開始（mol）8.0 4.0 0 0
反應(yīng)（mol）2x x 0.5x 0.5x
平衡（mol）8.0-2x 4.0-x 0.5x 0.5x
二甲醚物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}$×100%=25%，
x=3
則平衡時c（H₂）=$\frac{8.0-6.0}{2}$=1mol/L、c（CO）=$\frac{4-3}{2}$=0.5mol/L、c（CH₃OCH₃）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L、c（H₂O）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.75×0.75}{0．{5}^{2}×{1}^{4}}$=2.25，
故答案為：2.25．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算、蓋斯定律、化學(xué)平衡移動影響因素等知識點，側(cè)重考查學(xué)生分析、判斷及計算能力，明確溫度、壓強對化學(xué)平衡移動影響及三段式方法在化學(xué)平衡計算中的靈活應(yīng)用是解本題關(guān)鍵，題目難度中等．